2020年7月6日星期一

頻器的冷卻方式比較

   高壓變頻調速系統雖然是一種非常高效的調速裝置,但是在運行中,仍然有2%-4%左右的損耗,這些損耗都變成熱量,最終耗散在大氣中。如何把這些熱量順利的從變頻器中帶出來,是變頻器設計中一個非常重要的問題。
  高壓變頻器的發熱部件主要是兩部分:一是整流變壓器,二是功率元件。功率元件的散熱方式是關鍵。現代變頻器一般采用空氣冷卻或者水冷。在功率較小時,采用空通風設備氣冷卻就能夠滿足要求。在功率較大時,則需要在散熱器中通水,利用水流帶走熱量,因為散熱器一般都有不同的電位,所以必須采用絕緣強度較好的水,一般采用純淨水,它比普通蒸餾水的離子含量還要低。在水路的循環系統中,一般還要加離子樹脂交換器,因為散熱器上的金屬離子會不斷的溶解到水中,這些離子需要被吸附清除。 應該說,從散熱的角度來說,水冷是非常理想的。但是,水循環系統工藝要求高,安裝複雜,維護工作量大,而且一旦漏水,會帶來安全隱患。所以,能夠用空氣冷卻解決問題的場合,就不要采用水冷。
  空氣冷卻能夠解決的散熱功率,畢竟有一個極限,這個極限與技術類別有關。比如,ABB公司的ACS1000系列三電平變頻器,規定在2000KW以上就必須采用水冷,而美國的羅賓康公司和AB公司,對於3200KW/6KV的變頻器,仍然采用空氣冷卻。這又是為什麼呢?
  原來,空氣冷卻能夠從設備中帶出來的熱量,農業溫室通風設備與有效散熱面積的大小有關系,散熱面積越大,能夠帶走的熱量就越多。元器件的數目越多,散熱的面積就越大,空氣冷卻的效果就越好。對於6KV的變頻器,比3KV的變頻器器件數目多,而且單只器件的電流小,所以可以有較大的散熱面積,相當於熱量均分了。
  有人會說,我增大散熱器的面積,不就增大了散熱面積了嗎?我公司產品開發部的試驗證明了這是一個悖論。電力電子元件的熱量按照如下方式傳導:沿散熱器表面散開,再沿表面傳遞到散熱片上,被空氣帶走。沿散熱器表面散開的面積是非常有限的,離開元件較遠處,已經基本感受不到熱量,所以把散熱器表面做大到一定程度,對散熱效果的增加已經沒有意義。對於散熱器的齒片也是一樣,齒根處溫度較高,齒尖處只有很少的熱量到達,所以增高齒片到一定程度,對散熱也毫無用處。
  所以,要解決大功率產品的空氣冷卻問題,唯一有效的辦法是,利用很多的元器件,均攤熱量,增大有效的散熱面積。
  當然,采用功耗較小的新一代元器件,或者采用熱阻較小的新式散熱器,也可以使空氣冷卻的變頻器功率更大,例如,在目前的IGBT封裝形式下,原來我們發現,如果不采用器件並聯,我們只能做到1800KW/6KV,現在,由於新一代IGBT器件和新式散熱器的采用,我們可以做到2300KW/6KV。這是技術研究的另一方面,與上面的分析不矛盾。
  那麼,為什麼我們在2500KW/6KV以上的變頻器中采用IGBT並聯?並不是因為我們買不到那麼大電流的IGBT,而是因為,通過試驗我們發現,在現有的技術條件下,如果不采用元器件並聯增大有效散熱面積,無法將內部的熱量用空氣帶出來,無法保證元器件的溫升滿足要求。
  我們現在研究開發5000KW/6KV的變頻器,為什麼我們農業畜牧通風設備比較有把握?因為原來我們開發的3200KW/6KV變頻器,是用15個功率單元帶走熱量,到了5000KW時,我們把功率單元增加到24個,每個功率單元帶走的熱量仍舊差不多。
  有人又會問:為什麼ABB公司不采用元器件並聯呢?這是因為,在所有的器件中,只有IGBT和MOSFET是正溫度系數,適於並聯,IGCT是不適於並聯的,所以他們必須采用水冷了。
  關於變頻器散熱的另外一個問題是,把熱量從變頻器內部帶出來以後,如何耗散在大氣中。對於水冷裝置,需要在室外安裝一個水-空冷裝置,把熱水變成涼水。對於空氣冷卻的裝置,如果散熱量較大,需要安裝風道,把熱空氣直接排出室外,否則,熱空氣會在室內聚集,造成室溫升高。以前有的用戶考慮用室內空調機降溫,事實證明在大功率變頻器應用中,需要較大的空調配置,是不經濟的。如果用戶工廠內有冷卻水,我們建議用戶采用水-空冷裝置,這種裝置類似於我們工廠的空調裝置,在水管上鑲嵌散熱片,在水管內通入冷水,冷水的流量要足夠大,保證散熱片較低的溫度,變頻器散出來的熱風進入散熱片,經過散熱片後變成了涼風。這種方式可以采用密閉的小屋放置變頻器,不用考慮灰塵的影響。

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